JP4619742B2

JP4619742B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4619742B2
Application number: JP2004306033A
Authority: JP
Inventors: 雄三久武
Original assignee: Toshiba Mobile Display Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP2006119291A

Description

この発明は、液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示装置はノートパソコン、モニター、カーナビゲーション、関数電卓、中小型ＴＶ、大型ＴＶ、携帯電話、電子手帳など様々な製品に応用されている。これらの製品の中でも、電子手帳、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、タブレットパソコン（ＰＣ）、およびノートＰＣ等は、表示装置に用いられる液晶表示装置が軽薄短小のため、携帯して利用される機会が多い。また、ＡＴＭ（automated teller machine）用途、および券売機用途の製品の液晶表示装置は公共の場で利用される機会が多い。

上記した製品において、使用状況によっては他人に表示内容を識別されては困る場合がある。例えば、携帯電話、ＰＤＡ、またはタブレットＰＣにプライベートな内容を公共の場において表示している場合である。こうした場合、上記製品の液晶表示装置の視野角特性は狭いほうが望ましい。しかしながら、複数の人で表示画像を観察する機会もあることから液晶表示装置が視野角を制御できる機能を有していることが望まれている。これに限らず、携帯機器および公共情報端末機器も視野角を制御する機能を有していることが望まれている。

近年、液晶表示装置やブラウン管（ＣＲＴ）の視野角を制御する手段として、着脱可能なルーバーシート（例えば、３Ｍ製のライトコントロールフィルム）が利用されている（例えば、特許文献１参照）。また、偏光板を用いる液晶表示装置においては、観察者側の偏光板を設けない構成とし、偏光メガネをかけたときのみ表示が識別できるシステムも応用されている。
特開２００３−５８０６６号公報

従来のルーバーシートは視野角を十分狭くさせるためにシート法線方向に数ミリ程度の膜厚を有した遮光層を設けている。このため、ルーバーシートを用いた方法では、光の透過率が低く、液晶表示装置の輝度が低下する問題を有している。ルーバーシートの製造工程も複雑で製造コストも高い。ルーバーシートを着脱する際に手間がかかる問題も有している。また、偏光メガネを用いた方法では、不特定の人に表示画像を見せることができない問題が生じる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、輝度の低下を抑制し、かつ、視野角を任意に制御できる液晶表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る液晶表示装置は、アレイ基板と、前記アレイ基板に隙間を置いて対向配置された対向基板と、前記アレイ基板および対向基板間に狭持された液晶層と、を含む液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルのアレイ基板と対向して設けられたバックライトユニットと、前記アレイ基板およびバックライトユニット間に設けられ、前記アレイ基板側に位置した光学シートおよび前記バックライトユニット側に位置した液晶素子を含む電界制御型パネルと、を備え、前記電界制御型パネルの面方向であり、かつ、互いに直交する方向を第１方向および第２方向とした場合、前記液晶素子は、この液晶素子に入射される第１方向の偏光を、第１方向の偏光または第２方向の偏光として出射させ、前記光学シートは、前記液晶素子からこの光学シートに入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記液晶素子からこの光学シートに入射される第２方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向に集光して出射させる。

また、本発明の他の態様に係る液晶表示装置は、アレイ基板と、前記アレイ基板に隙間を置いて対向配置された対向基板と、前記アレイ基板および対向基板間に狭持された液晶層と、を含む液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルのアレイ基板と対向して設けられたバックライトユニットと、前記アレイ基板およびバックライトユニット間に設けられ、光学シートおよび前記光学シートの両側に位置した一対の液晶素子を含む電界制御型パネルと、を備え、前記電界制御型パネルの面方向であり、かつ、互いに直交する方向を第１方向および第２方向とした場合、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子は、この液晶素子に入射される第１方向の偏光を、第１方向の偏光または第２方向の偏光として出射させ、前記光学シートは、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子からこの光学シートに入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子からこの光学シートに入射される第２方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向に集光して出射させ、前記アレイ基板側に位置した液晶素子は、前記光学シートからこの液晶素子に入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記光学シートからこの液晶素子に入射される集光した偏光を、その偏光方向を第１方向に反転させ、かつ、前記法線方向に集光して出射させる。

この発明によれば、輝度の低下を抑制し、かつ、視野角を任意に制御できる液晶表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係る液晶表示装置について詳細に説明する。
図１ないし図３に示すように、液晶表示装置の大きさは、対角１５インチであり、その縦横比は４：３である。液晶表示装置は、透過型であり、ＭＶＡ型（マルチドメインバーティカルアラインモード）の液晶表示パネル１と、この液晶表示パネルに間隔を置いて対向配置されたバックライトユニット２と、液晶表示パネルおよびバックライトユニットの間に配置された電界制御型パネル３と、第１偏光板４と、第２偏光板５と、を有している。

液晶表示パネル１は、アレイ基板１０、対向基板２０、および液晶層３０を備えている。アレイ基板１０は、ガラス基板１１と、このガラス基板上に形成された複数の画素電極１２と、各画素電極を含みガラス基板上に成膜された配向膜１３と、を有している。また、アレイ基板１０は、ガラス基板１１上に形成された図示しない各種配線やスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を有している。対向基板２０は、ガラス基板２１と、このガラス基板上に形成された共通電極２２と、共通電極上に形成された配向膜２３と、を有している。画素電極１２および共通電極２２は、ＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）等の透明な導電材料により形成されている。配向膜１３および配向膜２３には配向処理（ラビング）が施されている。

アレイ基板１０および対向基板２０は、複数のスペーサ３１により所定の隙間を保持して対向配置されている。アレイ基板１０および対向基板２０は、両基板の周縁部に配置されたシール材３２により互いに接合されている。液晶層３０は、アレイ基板１０、対向基板２０、およびシール材３２の間に狭持されている。

バックライトユニット２は、アレイ基板１０の外面側に設けられている。バックライトユニット２は、拡散板を含む導光体４１、この導光体の一側縁に対向配置された光源４２、および反射板４３を有している。光源４２から直接或は反射板４３により反射されて導光体４１に入射した光は、導光体４１内を伝わり、導光体の表面から拡散光、つまりバックライト光として出射される。

電界制御型パネル３は、光学シート５０と、この光学シートに所定の隙間を置いて対向配置されたガラス等からなる透明基板６０と、光学シートおよび透明基板間に狭持された液晶素子８０と、を有している。

光学シート５０は、異方性媒体層５１、およびこの異方性媒体層に密着した透明な等方性媒体層５２を有している。異方性媒体層５１はバックライトユニット２と対向し、等方性媒体層５２はアレイ基板１０と対向している。液晶素子８０は、異方性媒体層５１上に形成された第１透明電極８１および配向膜８２と、透明基板６０上に形成された第２透明電極８３および配向膜８４と、配向膜８２および配向膜８４間に設けられたスペーサ８５と、液晶層８６と、を有している。

配向膜８２および配向膜８４間の隙間はスペーサ８５により保持されている。液晶層８６は配向膜８２および配向膜８４間に狭持されている。異方性媒体層５１および透明基板６０は、配向膜８２および配向膜８４の周縁部に配置された図示しないシール材により互いに接合されている。

液晶層８６の層厚は、４．８μｍである。液晶層８６を構成する液晶材料には、以下に示す特性が得られるよう所定のカイラル材が添加されている。液晶材料のリタデーション（Δｎ）は、５５０ｎｍの波長に対して０．０９１である。液晶分子の捩れ角は９０°、捩れピッチは６０μｍである。液晶分子の捩れは左回りである。上記したことから、液晶素子８０はツイステッドネマティック（ＴＮ）型の液晶素子である。

液晶表示パネル１および電界制御型パネル３は、ガラス基板１１および等方性媒体層５２が対向するよう配置されている。透明基板６０の外面には第１偏光板４が配置され、ガラス基板２１の外面には第２偏光板５が配置されている。第１偏光板４の外面側にはバックライトユニット２が設けられている。
上記した液晶表示パネル１の面方向、電界制御型パネル３の面方向、第１偏光板４の面方向、および第２偏光板５の面方向は平行である。

次に、上記光学シート５０の一層詳しい構成を説明する。以下、光学シート５０の面方向であり、かつ、互いに直交する方向を第１方向（Ｘ軸方向）ａ１および第２方向（Ｙ軸方向）ａ２、光学シート５０の法線方向を第３方向（Ｚ軸方向）ａ３として説明する。

図３ないし図５に示すように、異方性媒体層５１は、光学的に正の一軸性の屈折率異方性媒体として、例えば、ネマティック液晶をポリマ化したネマティック液晶ポリマで形成されている。また、異方性媒体層５１には、第１方向ａ１に複数並んで形成されているとともに、それぞれ第２方向ａ２に延びた複数の円弧状の凸部５３が第１表面Ｓ１に形成されている。異方性媒体層５１の光軸は第２方向ａ２と平行である。

等方性媒体層５２は、光学的に等方性の媒体として、例えば透明な高分子材料で形成されている。また、等方性媒体層５２には、第１方向ａ１に複数並んで形成されているとともに、それぞれ第２方向ａ２に延びた複数の円弧状の凹部５４が第２表面Ｓ２に形成されている。ここで、上記円弧状とは、半円の他、曲率半径がほぼ等しい円弧も含んでいる。異方性媒体層５１および等方性媒体層５２は、各凸部５３と各凹部５４とが密着した状態で積層されている。異方性媒体層５１は、第１表面Ｓ１の反対側に位置した滑らかな第３表面Ｓ３を有している。等方性媒体層５２は、第２表面Ｓ２の反対側に位置した滑らかな第４表面Ｓ４を有している。

異方性媒体層５１の各凸部５３はそれぞれ中心線ｌを有している。この中心線ｌは、各凸部５３の中心ｃの複数個所を通る線である。中心線ｌは第２方向ａ２と略平行に延びている。この実施の形態において、複数の凸部５３の中心ｃのピッチは５０μｍである。

異方性媒体層５１の第１方向ａ１の屈折率ｎｘ（１）は異常光屈折率ｎｅであり、第２方向ａ２の屈折率ｎｙ（１）は常光屈折率ｎｏである。この実施の形態において、等方性媒体層５２の屈折率をｎ（２）とした場合、
ｎ（２）＝ｎｘ（１）
の関係式が成立つ。

次に、上記液晶表示装置の製造方法について説明する。
まず、上記した光学シート５０を用意する。この実施の形態において、光学シート５０は対角１５インチ、縦横比４：３である。次いで、光学シート５０の異方性媒体層５１上全面に透明な導電材料として、例えばＩＴＯにより第１透明電極８１を形成する。その後、第１透明電極８１上に配向膜材料を塗布および焼成して配向膜８２を成膜する。そして、配向膜８２にラビングを施す。

一方、ガラス基板等の透明基板６０を用意する。用意した透明基板６０上全面に透明な導電材料として、例えばＩＴＯにより第２透明電極８３を形成する。続いて、第２透明電極８３上に複数のスペーサ８５を形成する。その後、第２透明電極８３上に配向膜材料を塗布および焼成して配向膜８４を成膜する。そして、配向膜８４にラビングを施す。

次いで、配向膜８４の周縁部にシール材を塗布し、配向膜８２および配向膜８４の周縁部同士を貼り合せる。これにより、透明基板６０および光学シート５０は接合される。ここで、配向膜８２には、第１方向ａ１にラビングが施されている。配向膜８４には、第２方向ａ２ラビングが施されている。

その後、真空注入法を用い、配向膜８２および配向膜８４間に、シール材の一部に形成された液晶注入口から液晶を注入する。液晶が注入された後、上記液晶注入口を図示しない封止材で封止する。これにより、ＴＮ型の液晶素子８０が完成する。完成した液晶素子８０において、第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態では配向膜８２と対向した液晶分子の長軸の方向は第１方向ａ１と平行である。

次いで、透明基板６０の外面に第１偏光板４を、例えば糊を用いて貼り合わせる。第１偏光板４の透過軸の方向は第１方向ａ１である。続いて、第１偏光板４の外面側にバックライトユニット２を配置し、等方性媒体層５２の外面側に液晶表示パネル１を配置する。ここで、液晶表示パネル１は、画素電極１２および共通電極２２間に電圧を印加した状態で、液晶層３０の液晶分子が第２方向ａ２と４５°、１３５°、２２５°、３１５°の角度をなす方向にチルトするように設計されている。その後、液晶表示パネル１のガラス基板２１の外面に第２偏光板５を、例えば糊を用いて貼り合わせる。第２偏光板５の透過軸の方向は第１方向ａ１である。

次に、電界制御型パネル３および第１偏光板４により、液晶表示装置の視野角（バックライト光の散乱角）を制御する原理について説明する。
まず、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない（液晶層８６に電界が印加されていない）状態での制御原理について説明する。

図６に示すように、第１偏光板４は、バックライトユニット２より入射される拡散した光を、第１方向ａ１の偏光として液晶素子８０に出射させる。液晶素子８０はこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、その偏光方向を第２方向ａ２に９０°反転させ、第２方向の偏光として光学シート５０に出射させる。光学シート５０は、液晶素子８０からこの光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向である第３方向ａ３に集光して出射させる。すなわち、光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光は、異方性媒体層５１および等方性媒体層５２間の境界面で屈折し、第３方向ａ３に出射する。

上記したことから、第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態では、電界制御型パネル３は、偏光方向が第２方向ａ２であり、かつ、第３方向ａ３に集光された偏光を液晶表示パネル１に出射させることになる。

次に、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された（液晶層８６に電界が印加された）状態での制御原理について説明する。

図７に示すように、第１偏光板４は、バックライトユニット２より入射される拡散した光を、第１方向ａ１の偏光として液晶素子８０に出射させる。液晶素子８０はこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、第１方向ａ１の偏光として光学シート５０に出射させる。光学シート５０は、液晶素子８０からこの光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させる。すなわち、光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光は、異方性媒体層５１および等方性媒体層５２間の境界面を直進して出射する。

上記したことから、第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態では、電界制御型パネル３は、偏光方向が第１方向ａ１であり、かつ、散乱した偏光を液晶表示パネル１に出射させることになる。

上記視野角を制御する原理の説明から、光学シート５０は、この光学シートに入射される偏光の偏光方向に依存して集光性が異なることが判る。このため、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態では、液晶表示パネル１の表示モードは、画素電極１２および共通電極２２間に電圧が印加されていない状態にて黒色表示となるノーマリーブラックモードとなる。また、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態では、液晶表示パネル１の表示モードは、画素電極１２および共通電極２２間に電圧が印加されていない状態にて白色表示となるノーマリーホワイトモードとなる。

上記したことから、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧の有無により、液晶表示パネル１の表示モードが反転することが判る。従って、上記液晶表示装置を用いて画像を表示する場合、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧の有無により、液晶表示パネル１の画素電極１２および共通電極２２間に印加する電圧（駆動電圧）を反転させて表示する。

ここで、本願発明者は、上記液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧を印加した状態および印加していない状態の２通りにおいて、液晶表示装置を用いて画像を表示し、輝度視角、コントラスト視角、正面輝度、および正面コントラスト特性の各種表示特性を調査した。

その際、液晶表示パネル１は、ＴＦＴを介して駆動電圧４Ｖにて駆動し、液晶素子８０は駆動電圧５Ｖ（第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧）にて駆動した。また、バックライトユニット２を稼動させ、点灯した状態とし、液晶表示装置を照度０ｌｘ（ルクス）の環境下に配置した。

まず、液晶素子８０（第１透明電極８１および第２透明電極８３間）に電圧が印加された状態における各種特性について説明する。
３０ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を有した視野角は、左右方向で±６０°と広く、コントラスト比１０：１以上の視野角は上下左右方向で±８０°と十分に広い。また、正面輝度は２００ｃｄ／ｍ^２と十分高く、電界制御型パネル３を設けない構造の液晶表示装置と同等の輝度および輝度視角を得ていることか判る。また、正面コントラストは２００：１と十分に高い。

次に、液晶素子８０（第１透明電極８１および第２透明電極８３間）に電圧が印加されていない状態における各種特性について説明する。
３０ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を有した視野角は、左右方向で±１０°と十分に狭い。また、正面輝度は４００ｃｄ／ｍ^２であり、正面コントラストは６００：１である。これら正面輝度および正面コントラストは、電界制御型パネル３を設けない構造や、液晶素子８０に電圧が印加された状態よりも、高い値が得られる。

上記のように構成された液晶表示装置によれば、液晶表示装置は、液晶表示パネル１およびバックライトユニット２間に電界制御型パネル３を設けている。電界制御型パネル３は、光学シート５０および液晶素子８０を有している。

光学シート５０は、光学的に一軸性の媒体で形成され、かつ、第１方向ａ１に複数並んで形成されているとともに、それぞれ第２方向ａ２に延びた複数の円弧状の凸部５３が第１表面Ｓ１に形成された異方性媒体層５１と、光学的に等方性の媒体で形成され、かつ、第１方向に複数並んで形成されているとともに、それぞれ第２方向に延びた複数の円弧状の凹部５４が第２表面Ｓ２に形成された等方性媒体層５２と、を有している。等方性媒体層５２の屈折率ｎ（２）は、異方性媒体層５１の第１方向ａ１の屈折率ｎｘ（１）と等しい。

液晶素子８０は、異方性媒体層５１上に形成された第１透明電極８１および配向膜８２と、透明基板６０上に形成された第２透明電極８３および配向膜８４と、液晶層８６と、を有したＴＮ型である。

第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態および印加されていない状態の２つの状態を切替えることにより、液晶素子８０は、この液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、第１方向の偏光または第２方向ａ２の偏光として出射させている。光学シート５０は、液晶素子８０からこの光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、液晶素子８０からこの光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、第３方向ａ３に集光して出射させている。

液晶表示装置の視野角を狭くして画像を表示する際は、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態にて表示し、液晶表示装置の視野角を広くして画像を表示する際は、液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態にて表示すれば良い。液晶表示装置の視野角を制御する際、図示しないスイッチやボリューム１つで容易に視野角を制御することができる。

このため、モバイルＰＣ、携帯電話、ＰＤＡ，電子手帳、およびタブレットＰＣ等、公共の場で使用する場合であっても、他人に表示内容を識別されては困る場合には視野角を狭く、また複数の観察者で表示画像を観察する場合には視野角を広くすることができる。これにより、他人に表示内容を覗かれる心配を排除することができる。また、複数の観察者が表示画面を同時に、かつ、良好に視認できるようにもできる。

異方性媒体層５１の各凸部５３を通る中心線ｌは第２方向ａ２と略平行に延びている。複数の凸部５３の中心ｃのピッチは５０μｍである。このため、光学シート５０での光（バックライト光や外光）の回折はほぼ発生せず、また、異方性媒体層５１の凸部５３（等方性媒体層５２の凹部５４）のパタンも肉眼では認識できない。液晶表示装置に光学シート５０を設けた場合でも表示品位に悪影響を及ぼすことはない。上記した効果は、複数の凸部５３の中心ｃのピッチが１０μｍないし７０μｍであれば有効である。

また、電界制御型パネル３は、液晶表示パネル１およびバックライトユニット２の間、すなわち、液晶表示パネル１の表示画面の裏側に設けられている。このため、電界制御型パネル３の光学シート５０のパタンも視認しづらいし、外光が入射しても干渉等の問題も生じない。

第１偏光板４は、電界制御型パネル３およびバックライトユニット２の間に設けられ、その透過軸の方向は、第１方向ａ１と平行である。このため、第１偏光板４はこの第１偏光板に入射されるバックライト光を、第１方向ａ１の偏光として電界制御型パネル３に出射させることができる。

異方性媒体層５１はネマティック液晶をポリマ化した材料で形成されているが、ネマティック液晶で形成されても良い。液晶素子８０はＴＮ型であるが、複屈折制御（Electrically Controlled Birefringence、以下、ＥＣＢと称する）型であっても良い。バックライトユニット２は、拡散板を含む導光体４１を有しているため、散乱した光を出射させることができる。

また、本実施の形態に係る液晶表示装置にはルーバーシートが設けられていない。このため、ルーバーシート自体の光吸収によるバックライト光の透過率の低下、すなわち、輝度低下を防止することができる。液晶表示装置全体の厚みの増大を抑制でき、かつ、製造コストにおける低コスト化を実現することができる。
上記したことから、輝度の低下を抑制し、かつ、視野角を任意に制御できる液晶表示装置が得られる。

次に、他の実施の形態に係る液晶表示装置について説明する。この実施の形態において、液晶表示装置を構成する液晶表示パネル１およびバックライトユニット２は上述した液晶表示パネルおよびバックライトユニットと同様に構成されている。なお、この実施の形態において、他の構成は上述した実施の形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８および図９に示すように、液晶表示装置の大きさは、対角１５インチであり、その縦横比は４：３である。液晶表示装置は、液晶表示パネル１と、この液晶表示パネルに間隔を置いて対向配置されたバックライトユニット２と、液晶表示パネルおよびバックライトユニットの間に配置された電界制御型パネル３と、第１偏光板４と、第２偏光板５と、第３偏光板６と、を有している。

電界制御型パネル３は、光学シート５０と、この光学シートの両側にそれぞれ所定の隙間を置いて対向配置されたガラス等からなる透明基板６０および他の透明基板７０と、光学シートおよび透明基板間、並びに光学シートおよび他の透明基板間にそれぞれ狭持された液晶素子８０と、を有している。すなわち、電界制御型パネル３は、光学シート５０の両側に位置した一対の液晶素子８０を有している。

光学シート５０は、異方性媒体層５１、およびこの異方性媒体層に密着した等方性媒体層５２を有している。異方性媒体層５１はバックライトユニット２と対向し、等方性媒体層５２はアレイ基板１０と対向している。一対の液晶素子８０は、光学シート５０上に形成された第１透明電極８１および配向膜８２と、透明基板６０または他の透明基板７０上に形成された第２透明電極８３および配向膜８４と、配向膜８２および配向膜８４間に設けられたスペーサ８５と、液晶層８６と、をそれぞれ有している。

各液晶素子８０において、配向膜８２および配向膜８４間の隙間はスペーサ８５により保持されている。液晶層８６は配向膜８２および配向膜８４間に狭持されている。異方性媒体層５１および透明基板６０、並びに等方性媒体層５２および他の透明基板７０は、配向膜８２および配向膜８４の周縁部に配置された図示しないシール材によりそれぞれ互いに接合されている。

各液晶層８６の層厚は、４．８μｍである。
バックライトユニット２側に位置した液晶層８６を構成する液晶材料には、以下に示す特性が得られるよう所定のカイラル材が添加されている。液晶材料のΔｎは、５５０ｎｍの波長に対して０．０９１である。液晶分子の捩れ角は９０°、捩れピッチは６０μｍである。液晶分子の捩れは左回りである。上記したことから、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０はＴＮ型の液晶素子である。

アレイ基板１０側に位置した液晶層８６を構成する液晶材料には、以下に示す特性が得られるよう所定のカイラル材が添加されている。液晶材料のΔｎは、５５０ｎｍの波長に対して０．０９１である。液晶分子の捩れ角は９０°、捩れピッチは６０μｍである。液晶分子の捩れは右回りである。上記したことから、アレイ基板１０側に位置した液晶素子８０はＴＮ型の液晶素子である。

液晶表示パネル１および電界制御型パネル３は、ガラス基板１１および他の透明基板７０が対向するよう配置されている。透明基板６０の外面には第１偏光板４が配置され、上記ガラス基板２１の外面には第２偏光板５が配置され、ガラス基板１１の外面には第３偏光板６が配置されている。第１偏光板４の外面側にはバックライトユニット２が設けられている。
上記した液晶表示パネル１の面方向、電界制御型パネル３の面方向、第１偏光板４の面方向、第２偏光板５の面方向、および第３偏光板６の面方向は平行である。

次に、上記液晶表示装置の製造方法について説明する。
まず、上記した光学シート５０を用意する。この実施の形態において、光学シート５０は対角１５インチ、縦横比４：３である。次いで、光学シート５０の異方性媒体層５１上全面、および等方性媒体層５２上全面に透明な導電材料として、例えばＩＴＯにより第１透明電極８１をそれぞれ形成する。その後、各第１透明電極８１上に配向膜材料を塗布および焼成して配向膜８２をそれぞれ成膜する。そして、各配向膜８２にラビングを施す。

一方、ガラス基板等の透明基板６０および他の透明基板７０を用意する。用意した透明基板６０上全面および他の透明基板７０上全面に透明な導電材料として、例えばＩＴＯにより第２透明電極８３をそれぞれ形成する。続いて、各第２透明電極８３上に複数のスペーサ８５を形成する。その後、各第２透明電極８３上に配向膜材料を塗布および焼成して配向膜８４を成膜する。そして、各配向膜８４にラビングを施す。

次いで、各配向膜８４の周縁部にシール材を塗布し、配向膜８２および配向膜８４の周縁部同士をそれぞれ貼り合せる。これにより、透明基板６０および光学シート５０、並びに他の透明基板７０および光学シートはそれぞれ接合される。ここで、各配向膜８２には、第１方向ａ１にラビングが施されている。各配向膜８４には、第２方向ａ２ラビングが施されている。

その後、真空注入法を用い、各配向膜８２および配向膜８４間に、シール材の一部に形成された液晶注入口から液晶を注入する。液晶が注入された後、上記液晶注入口を図示しない封止材で封止する。これにより、一対のＴＮ型の液晶素子８０が完成する。完成した一対の液晶素子８０において、第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態では、各配向膜８２と対向した液晶分子の長軸の方向は平行であり、第１方向ａ１を向いている。

次いで、透明基板６０の外面に第１偏光板４を、例えば糊を用いて貼り合わせる。第１偏光板４の透過軸の方向は第１方向ａ１である。続いて、第１偏光板４の外面側にバックライトユニット２を配置し、等方性媒体層５２の外面側に液晶表示パネル１を配置する。ここで、液晶表示パネル１は、画素電極１２および共通電極２２間に電圧を印加した状態で、液晶層３０の液晶分子が第２方向ａ２と４５°、１３５°、２２５°、３１５°の角度をなす方向にチルトするように設計されている。その後、液晶表示パネル１のガラス基板２１の外面に第２偏光板５を、例えば糊を用いて貼り合わせる。また、ガラス基板１１の外面に第３偏光板６を、例えば糊を用いて貼り合わせる。第２偏光板５の透過軸の方向および第３偏光板６の透過軸の方向は第１方向ａ１である。

次に、電界制御型パネル３および第１偏光板４により、液晶表示装置の視野角（バックライト光の散乱角）を制御する原理について説明する。
まず、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない（液晶層８６に電界が印加されていない）状態での制御原理について説明する。

図１０に示すように、第１偏光板４は、バックライトユニット２より入射される拡散した光を、第１方向ａ１の偏光としてバックライトユニット２側に位置した液晶素子８０に出射させる。バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０はこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、その偏光方向を第２方向ａ２に９０°反転させ、第２方向の偏光として光学シート５０に出射させる。

光学シート５０は、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０からこの光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向である第３方向ａ３に集光して出射させる。すなわち、光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光は、異方性媒体層５１および等方性媒体層５２間の境界面で屈折し、第３方向ａ３に出射する。

アレイ基板１０側に位置した液晶素子８０は、光学シート５０からこの液晶素子に入射される集光した偏光を、その偏光方向を第１方向ａ１に９０°反転させ、かつ、第３方向ａ３に集光して出射させる。

上記したことから、各第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態では、電界制御型パネル３は、偏光方向が第１方向ａ１であり、かつ、第３方向ａ３に集光された偏光を液晶表示パネル１に出射させることになる。

次に、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された（液晶層８６に電界が印加された）状態での制御原理について説明する。

図１１に示すように、第１偏光板４は、バックライトユニット２より入射される拡散した光を、第１方向ａ１の偏光としてバックライトユニット２側に位置した液晶素子８０に出射させる。バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０はこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、第１方向ａ１の偏光として光学シート５０に出射させる。

光学シート５０は、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０からこの光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させる。すなわち、光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光は、異方性媒体層５１および等方性媒体層５２間の境界面を直進して出射する。
アレイ基板１０側に位置した液晶素子８０は、光学シートからこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させる。

上記したことから、各第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態では、電界制御型パネル３は、偏光方向が第１方向ａ１であり、かつ、散乱した偏光を液晶表示パネル１に出射させることになる。
上記視野角を制御する原理の説明から、光学シート５０は、この光学シートに入射される偏光の偏光方向に依存して集光性が異なることが判る。

上記したことから、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧の有無を問わず、液晶表示パネル１の表示モードは反転しない。従って、上記液晶表示装置を用いて画像を表示する場合、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧の有無により、液晶表示パネル１の画素電極１２および共通電極２２間に印加する電圧（駆動電圧）を反転させて表示する必要はない。

ここで、本願発明者は、上記各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧を印加した状態および印加していない状態の２通りにおいて、液晶表示装置を用いて画像を表示し、輝度視角、コントラスト視角、正面輝度、および正面コントラスト特性の各種表示特性を調査した。

その際、液晶表示パネル１は、ＴＦＴを介して駆動電圧４Ｖにて駆動し、各液晶素子８０は駆動電圧５Ｖ（第１透明電極８１および第２透明電極８３間に印加される電圧）にて駆動した。また、バックライトユニット２を稼動させ、点灯した状態とし、液晶表示装置を照度０ｌｘの環境下に配置した。

まず、各液晶素子８０（第１透明電極８１および第２透明電極８３間）に電圧が印加された状態における各種特性について説明する。
３０ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を有した視野角は、左右方向で±６０°と広く、コントラスト比１０：１以上の視野角は上下左右方向で±８０°と十分に広い。また、正面輝度は２００ｃｄ／ｍ^２と十分高く、電界制御型パネル３を設けない構造の液晶表示装置と同等の輝度および輝度視角を得ていることか判る。また、正面コントラストは６００：１と十分に高い。

次に、各液晶素子８０（第１透明電極８１および第２透明電極８３間）に電圧が印加されていない状態における各種特性について説明する。
３０ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を有した視野角は、左右方向で±１０°と十分に狭い。また、正面輝度は４００ｃｄ／ｍ^２であり、電界制御型パネル３を設けない構造や、液晶素子８０に電圧が印加された状態よりも、高い値が得られる。また、正面コントラストは６００：１である。

上記のように構成された液晶表示装置によれば、液晶表示装置は、液晶表示パネル１およびバックライトユニット２間に電界制御型パネル３を設けている。電界制御型パネル３は、光学シート５０および光学シートの両側に位置した一対の液晶素子８０を有している。各液晶素子８０は、第１透明電極８１および配向膜８２と、第２透明電極８３および配向膜８４と、液晶層８６と、を有したＴＮ型である。

各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態および印加されていない状態の２つの状態を切替えることにより、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０は、この液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、第１方向の偏光または第２方向ａ２の偏光として出射させている。

光学シート５０は、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０からこの光学シートに入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０からこの光学シートに入射される第２方向ａ２の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、第３方向ａ３に集光して出射させている。

アレイ基板１０側に位置した液晶素子８０は、光学シート５０からこの液晶素子に入射される第１方向ａ１の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、光学シートからこの液晶素子に入射される集光した偏光を、その偏光方向を第１方向に反転させ、かつ、第３方向ａ３に集光して出射させる。

液晶表示装置の視野角を狭くして画像を表示する際は、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加されていない状態にて表示し、液晶表示装置の視野角を広くして画像を表示する際は、各液晶素子８０の第１透明電極８１および第２透明電極８３間に電圧が印加された状態にて表示すれば良い。液晶表示装置の視野角を制御する際、図示しないスイッチやボリューム１つで容易に視野角を制御することができる。

一対の液晶素子８０はＴＮ型である。バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０の配向膜８２と対向した液晶分子、およびアレイ基板１０側に位置した液晶素子の配向膜と対向した液晶分子の捩れ方向は互いに逆の方向である。このため、電界制御型パネル３は、この電界制御型パネルに入射される偏光の波長に関係なく、入射時の偏光方向を維持して出射させることができる。

また、一対の液晶素子８０はＴＮ型に限らず、ＥＣＢ型であっても良い。この場合、バックライトユニット２側に位置した液晶素子８０の配向膜８２と対向した液晶分子の長軸方向、およびアレイ基板１０側に位置した液晶素子の配向膜と対向した液晶分子の長軸方向は、互いに直交している。各液晶素子８０は、この液晶素子に入射される偏光の位相を２分の１波長ずらしている。このため、電界制御型パネル３は、この電界制御型パネルに入射される偏光を、入射時の位相に戻して出射させることができ、入射時の偏光方向に出射させることができる。

第３偏光板６は、電界制御型パネル３およびアレイ基板１０の間に設けられ、その透過軸の方向は、第１方向ａ１と平行である。これにより、液晶表示パネル１に入射される偏光の偏光度を高めることができるため、コントラスト特性を高くすることができる。液晶表示装置は、第３偏光板６を設けない構成としても良いが、第３偏光板を設けたほうがコントラスト特性を高くすることができる分優位である。
上記したことから、輝度の低下を抑制し、かつ、視野角を任意に制御できる液晶表示装置が得られる。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、液晶表示装置全体の厚みを薄くするため、液晶素子８０の第１透明電極８１は、光学シート５０上に形成されているが、光学シートに限らずガラス等の透明基板上に形成しても良い。光学シート５０および第１透明電極８１は対向して配置されていれば良い。液晶表示パネル１は、透過型に限らず、バックライトユニット２のバックライト光を用いて表示するタイプのものであれば良い。

この発明の実施の形態に係る液晶表示装置の断面図。図１に示した液晶表示パネルを示す断面図。図１に示した電界制御型パネルを示す断面図。図３に示した光学シートを示す斜視図。図３および図４に示した異方性媒体層を示す斜視図。図１および図３に示した電界制御型パネルに電圧が印加されていない状態におけるバックライト光の光路を説明するための図。図１および図３に示した電界制御型パネルに電圧が印加された状態におけるバックライト光の光路を説明するための図。この発明の他の実施の形態に係る液晶表示装置の断面図。図８に示した電界制御型パネルを示す断面図。図８および図９に示した電界制御型パネルに電圧が印加されていない状態におけるバックライト光の光路を説明するための図。図８および図９に示した電界制御型パネルに電圧が印加された状態におけるバックライト光の光路を説明するための図。

符号の説明

１…液晶表示パネル、２…バックライトユニット、３…電界制御型パネル、４…第１偏光板、５…第２偏光板、６…第３偏光板、１０…アレイ基板、１１…ガラス基板、１２…画素電極、１３…配向膜、２０…対向基板、２１…ガラス基板、２２…共通電極、２３…配向膜、３０…液晶層、３１…スペーサ、３２…シール材、４１…導光体、４２…光源、４３…反射板、５０…光学シート、５１…異方性媒体層、５２…等方性媒体層、５３…凸部、５４…凹部、６０…透明基板、７０…透明基板、８０…液晶素子、８１…第１透明電極、８２…配向膜、８３…第２透明電極、８４…配向膜、８５…スペーサ、８６…液晶層、ａ１…第１方向、ａ２…第２方向、ａ３…第３方向、ｃ…中心、ｌ…中心線、ｎ１（ｘ），ｎ１（ｙ），ｎ２…屈折率、ｎｏ…常光屈折率、ｎｅ…異常光屈折率、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…表面。

Claims

アレイ基板と、前記アレイ基板に隙間を置いて対向配置された対向基板と、前記アレイ基板および対向基板間に狭持された液晶層と、を含む液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルのアレイ基板と対向して設けられたバックライトユニットと、
前記アレイ基板およびバックライトユニット間に設けられ、前記アレイ基板側に位置した光学シートおよび前記バックライトユニット側に位置した液晶素子を含む電界制御型パネルと、を備え、
前記電界制御型パネルの面方向であり、かつ、互いに直交する方向を第１方向および第２方向とした場合、
前記液晶素子は、この液晶素子に入射される第１方向の偏光を、第１方向の偏光または第２方向の偏光として出射させ、
前記光学シートは、前記液晶素子からこの光学シートに入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記液晶素子からこの光学シートに入射される第２方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向に集光して出射させる液晶表示装置。
アレイ基板と、前記アレイ基板に隙間を置いて対向配置された対向基板と、前記アレイ基板および対向基板間に狭持された液晶層と、を含む液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルのアレイ基板と対向して設けられたバックライトユニットと、
前記アレイ基板およびバックライトユニット間に設けられ、光学シートおよび前記光学シートの両側に位置した一対の液晶素子を含む電界制御型パネルと、を備え、
前記電界制御型パネルの面方向であり、かつ、互いに直交する方向を第１方向および第２方向とした場合、
前記バックライトユニット側に位置した液晶素子は、この液晶素子に入射される第１方向の偏光を、第１方向の偏光または第２方向の偏光として出射させ、
前記光学シートは、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子からこの光学シートに入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子からこの光学シートに入射される第２方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、この光学シートの法線方向に集光して出射させ、
前記アレイ基板側に位置した液晶素子は、前記光学シートからこの液晶素子に入射される第１方向の偏光を、偏光方向を維持し、かつ、散乱して出射させるとともに、前記光学シートからこの液晶素子に入射される集光した偏光を、その偏光方向を第１方向に反転させ、かつ、前記法線方向に集光して出射させる液晶表示装置。
前記光学シートは、光学的に一軸性の媒体で形成され、かつ、前記第１方向に複数並んで形成されているとともに、それぞれ前記第２方向に延びた複数の円弧状の凸部が第１表面に形成された異方性媒体層と、
光学的に等方性の媒体で形成され、かつ、前記第１方向に複数並んで形成されているとともに、それぞれ前記第２方向に延びた複数の円弧状の凹部が第２表面に形成された等方性媒体層と、を備え、
前記異方性媒体層および前記等方性媒体層は各凸部と各凹部とが密着した状態で積層され、
前記異方性媒体層は前記バックライトユニットと対向し、前記等方性媒体層は前記アレイ基板と対向している請求項１または２に記載の液晶表示装置。
前記異方性媒体層は、前記第１表面の反対側に位置した滑らかな第３表面を有し、前記等方性媒体層は、前記第２表面の反対側に位置した滑らかな第４表面を有している請求項３に記載の液晶表示装置。
前記各凸部の中心の複数個所を通る中心線は、前記第２方向と略平行に延びている請求項３または４に記載の液晶表示装置。
前記複数の凸部の中心のピッチは１０μｍないし７０μｍである請求項５に記載の液晶表示装置。
前記等方性媒体層の屈折率は、前記異方性媒体層の第１方向の屈折率と等しい請求項３ないし６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記異方性媒体層は、ネマティック液晶またはこのネマティク液晶をポリマ化した材料で形成されている請求項３ないし７のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記液晶素子は、前記光学シートと対向した第１透明電極およびこの第１透明電極上に形成された第１配向膜と、
第２透明電極およびこの第２透明電極上に形成された第２配向膜と、
前記第１配向膜および第２配向膜間に狭持された他の液晶層と、を備え、
前記液晶素子は、前記第１透明電極および第２透明電極間に電圧が印加された状態で入射される偏光を前記第１方向の偏光として出射させるとともに、電圧が印加されていない状態で入射される偏光を第２方向の偏光として出射させる請求項１に記載の液晶表示装置。
前記一対の液晶素子は、前記光学シートと対向した第１透明電極およびこの第１透明電極上に形成された第１配向膜と、
第２透明電極およびこの第２透明電極上に形成された第２配向膜と、
前記第１配向膜および第２配向膜間に狭持された他の液晶層と、をそれぞれ備え、
前記バックライトユニット側に位置した液晶素子は、この液晶素子の前記第１透明電極および第２透明電極間に電圧が印加された状態で入射される偏光を前記第１方向の偏光として出射させるとともに、電圧が印加されていない状態で入射される偏光を前記第２方向の偏光として出射させ、
前記アレイ基板側に位置した液晶素子は、この液晶素子の前記第１透明電極および第２透明電極間に電圧が印加された状態で入射される偏光を前記第１方向の偏光として出射させるとともに、電圧が印加されていない状態で入射される偏光を前記第１方向の偏光として出射させる請求項２に記載の液晶表示装置。
前記液晶素子は、複屈折制御型またはツイステッドネマティック型である請求項９または１０に記載の液晶表示装置。
前記一対の液晶素子はツイステッドネマティック型であり、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子の第１配向膜と対向した液晶分子、および前記アレイ基板側に位置した液晶素子の第１配向膜と対向した液晶分子の捩れ方向は互いに逆の方向である請求項１０に記載の液晶表示装置。
前記一対の液晶素子は複屈折制御型であり、前記バックライトユニット側に位置した液晶素子の第１配向膜と対向した液晶分子の長軸方向、および前記アレイ基板側に位置した液晶素子の第１配向膜と対向した液晶分子の長軸方向は、互いに直交している請求項１０に記載の液晶表示装置。
前記電界制御型パネルおよびバックライトユニットの間に設けられた偏光板を備え、
前記偏光板の透過軸の方向は、前記第１方向と平行である請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
前記対向基板の外面側に設けられた他の偏光板を備え、
前記他の偏光板の透過軸の方向は、前記第１方向と平行である請求項１４に記載の液晶表示装置。
前記電界制御型パネルおよびバックライトユニットの間に設けられた第１偏光板と、
前記対向基板の外面側に設けられた第２偏光板と、
前記電界制御型パネルおよびアレイ基板間に設けられた第３偏光板と、を備え、
前記第１偏光板の透過軸の方向、第２偏光板の透過軸の方向、および第３偏光板の透過軸の方向は、それぞれ前記第１方向と平行である請求項２、１０、１２、または１３に記載の液晶表示装置。
前記バックライトユニットは散乱した光を出射させる請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。